Une nouvelle batterie à l’état solide qui se charge en quelques minutes sur des milliers de cycles

D’après pv magazine International

Les batteries au lithium métal pourraient offrir une bien meilleure densité énergétique et un poids bien plus faible que la technologie lithium-ion grâce au remplacement du graphite, plus lourd, par du lithium métal en tant qu’anode. Cependant, l’un des plus grands défis dans la conception de ces batteries est la formation de dendrites sur la surface de l’anode, ce qui entraîne une dégradation rapide de la batterie, un court-circuit et même un incendie.

Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) affirment avoir mis au point une nouvelle batterie au lithium métal qui résiste à au moins 6 000 cycles de charge et peut être rechargée en quelques minutes.

Leur recherche, publiée dans le journal Nature Materials, décrit non seulement une nouvelle façon de fabriquer des batteries à l’état solide avec une anode en lithium métal, mais offre également une nouvelle compréhension de la réaction d’interface entre le lithium et les matériaux à l’anode dans ce type de batteries. « Les batteries à anode en lithium métal sont considérées comme le Saint-Graal des batteries car elles ont une capacité dix fois supérieure à celle des anodes commerciales en graphite et pourraient augmenter considérablement la distance de conduite des véhicules électriques, a déclaré Xin Li, professeur agrégé de science des matériaux à la SEAS et auteur principal de l’article. Notre recherche constitue une étape importante vers des batteries à l’état solide plus pratiques pour des applications industrielles et commerciales ».

En 2021, Li et son équipe ont proposé un moyen de traiter les dendrites en concevant une batterie multicouche qui prend en sandwich différents matériaux de stabilité variable entre l’anode et la cathode. Cette conception multicouche et multimatériaux a empêché la pénétration des dendrites de lithium, non pas en les arrêtant complètement, mais plutôt en les contrôlant et en les contenant.

Dans cette nouvelle recherche, Li et son équipe empêchent la formation de dendrites en utilisant des particules de silicium de la taille d’un micron dans l’anode pour restreindre la réaction de lithiation et faciliter le dépôt homogène d’une épaisse couche de lithium métal.

Dans cette conception, lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode vers l’anode pendant la charge, la réaction de lithiation est restreinte à la surface peu profonde et les ions s’attachent à la surface de la particule de silicium mais ne pénètrent pas plus loin. « Dans notre conception, le lithium métal s’enroule autour de la particule de silicium, comme une coque de chocolat dur autour d’un cœur de noisette dans une truffe au chocolat », a déclaré Xin Li.

Ces particules enrobées créent une surface homogène sur laquelle la densité de courant est uniformément répartie, ce qui empêche la formation de dendrites. Et comme la métallisation et le décapage peuvent se faire rapidement sur une surface homogène, la batterie peut se recharger en seulement 10 minutes environ.

Les chercheurs ont construit une version de la pile en pochette de la taille d’un timbre-poste, qui est 10 à 20 fois plus grande que la pile en pièce de monnaie fabriquée dans la plupart des laboratoires universitaires. La batterie a conservé 80 % de sa capacité après 6 000 cycles, surpassant ainsi les autres piles à poche actuellement disponibles sur le marché, ont indiqué les scientifiques.

La technologie a été concédée sous licence par l’Office of Technology Development de Harvard à Adden Energy, une entreprise dérivée de Harvard cofondée par Li et trois anciens élèves de Harvard. L’entreprise a mis à l’échelle la technologie pour construire une batterie de poche de la taille d’un téléphone intelligent.

Li et son équipe ont également caractérisé les propriétés qui permettent au silicium de restreindre la diffusion du lithium afin de faciliter le processus dynamique favorisant le dépôt homogène de lithium épais. Ils ont ensuite défini un descripteur de propriété unique pour décrire ce processus et l’ont calculé pour tous les matériaux inorganiques connus. Ce faisant, l’équipe a mis en évidence des dizaines d’autres matériaux susceptibles d’offrir des performances similaires. « Des recherches antérieures avaient montré que d’autres matériaux, dont l’argent, pouvaient servir de bons matériaux à l’anode des batteries à l’état solide, a déclaré le chercheur. Notre recherche explique un mécanisme sous-jacent possible du processus et fournit une voie pour identifier de nouveaux matériaux pour la conception de batteries ».